ЛЕКЦИЯ 12

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ

МЕТАЛЛОВ

1. Биогеотехнология металлов

2. Биосорбция металлов

Добыча полезных ископаемых лежит в основе существования

человеческой цивилизации.

Особое место занимает проблема экологической безопасности

освоения полезных ископаемых:

- кислые рудничные воды рудников, отвалов и угольных шахт,

образование которых связано с бактериально-химическим

окислением сульфидных минералов, загрязняют окружающую

среду ионами металлов;

- загрязнение водной среды и почв ионами металлов или выбросы

токсичных газов в атмосферу вызывают истощение и деградацию

естественных экосистем, представляют угрозу здоровью человека.

Микробные процессы и биогидрометаллургические технологии

направлены на решение не только рациональной и комплексной

переработки сложных богатых и забалансовых руд, но и экологических

проблем в горнодобывающей промышленности.

БИОГЕОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

(БИОГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ)

БИОГЕОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

(БИОГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ)

наука об извлечении металлов из руд, концентратов, горных пород и растворов под действием микроорганизмов или их метаболитов при

атмосферном давлении и температуре 5-90°С

Выщелачивание — перевод в раствор, обычно водный, одного илинескольких компонентов твёрдого материала.Наиболее ранние сведения о выщелачивании металлов – записи обантичных горных производствах.160 г. до н.э. – К.Гален – выщелачивание меди в медных рудникахо. Кипр1497 г. – в Венгрии получали медь из растворов руды методом цементациина железном скрапе, в 1566 г. – осуществили полный цикл выщелачиваниес использованием системы орошения

Cu2+ + Fe0 -> Cu0 + Fe2+

1725 г. – применение принудительного кучного выщелачивания медныхруд в ИспанииКучное выщелачивание (heap leaching) — способ переработкихимическим или бактериальным выщелачиванием попутно добытыхзабалансовых и бедных балансовых крупнокусковатых руд,заскладированных в отвалах, извлечение из которых полезныхкомпонентов обычными обогатительными или гидрометаллургическимиметодами (выщелачивание в пачуках, автоклавах и других аппаратах)нерентабельно.

БИОГЕОТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

(БИОГИДРОМЕТАЛЛУРГИЯ)

XVI в. – применение кучного выщелачивания в ГерманииXIX в. – кучное выщелачивание в Азербайджане (Кедабек)20 гг. XX в. – начало кучного выщелачивания руд в США (Аризона,

Нью-Мексико)40-50 гг. XX в. – извлечение меди из растворов, поступающих из

колчеданных месторождений, практиковали на Урале:- в 1949 г. было добыто 5730 т меди из сточных вод;- в отдельных случаях осуществляли орошение руды либо водой, либо

рудничными растворами.Позже кучное выщелачивание меди было начато рядом компаний в

юго-западной части США, в Перу, Африке, Австралии, Югославии,Болгарии и других странах. Этот способ в промышленных масштабахприменяют для извлечения меди, золота и урана.

В 60-е годы в Канаде начали промышленное подземноевыщелачивание урана. Несколько позже выщелачивание урана сталипрактиковать и в других странах, например в Португалии, США, ЮАР иФранции.

В настоящее время разработкой и освоениембиогидрометаллургических технологий занимается более 100организаций в 25 странах мира.

ОТКРЫТИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БИОГЕОТЕХНОЛОГИИ1887 г. – С.Н. Виноградский открыл явление литотрофии (способности

бактерий к окислению неорганических соединений) и показал, что аэробныебактерии (водородные, нитрифицирующие, тионовые и др.) окисляют Н2,СО, NH4+ , NO2– , соединения серы; анаэробные – восстанавливаютсоединения серы, СО2.

Исследования С.Н. Виноградского стимулировали изучение ролимикроорганизмов в круговороте серы и других элементов в природе.

1902 г. – М.Бейеринк выделил новый автотрофный микроорганизмThiobacillus thioparus, окисляющий серу и ряд её восстановленныхсоединений при высоких значениях рН среды

1921-1922 гг. – В.Рудольф и А.Хельброннер показали, что некоторыесероокисляющие микроорганизмы могут окислять пирит и сульфиды цинка

1920-е гг. – С. Ваксман и Дж. Джоффи выделили автотрофныйацидофильный микроорганизм Thiobacillus thiooxidans (Acidithiobacillusthiooxidans), окисляющий серу и ряд её восстановленных соединений досерной кислоты

1933 г. – Л.Карпентор и Дж.Харндон – гипотеза о возможной ролимикроорганизмов в образовании серной кислоты в шахтных водах угольныхместорождений

1947 г. – А. Колмер и М. Хинкль выделили чистую культуру бактерийThiobacillus thiooxidans (Acidithiobacillus thiooxidans), предоставилидоказательства биологического окисления закисного железа при низкихзначениях рН

Микроорганизмы, используемые в биогидрометаллургии

Микроорганизм Источник энергии Оптимальныеусловия

Грамотрицательные бактерииAcidithiobacillus ferroxidans,Acidithiobacillus thiooxidans,Acidithiobacillus caldus,Leptospirillum ferrooxidans

сульфидные металлы, S0 ( S-2), Fe2+

S0 (S2-)S0 (S2-)Fe2+, FeS2

рН 1,7-2,0, 30-35°С, О2

рН 2,0-2,5, 45°С, О2рН 2,0-2,5, 30°С, О2рН 2,0-2,5, 30-45°С, О2

Грамположительные бактерииSulfolobusthermosulfidoxidans, Sulfolobus acidophilus

Fe2+, S0 (S2-),сульфидные минералы в присутствие органических веществ или без них в сообществе с хемолитотрофнымибактериями

рН 1,7-2,4, 48-50°С, О2

АрхеиAcidianus brierleyiMetallosphaera sedula

Ferroplasma acidiphilum,Sulfolobus metallicum

Fe2+, S0 (S2-), сульфидные минералы в присутствии дрожжевого катализатора

Fe2+, FeS2Fe2+, S0 (S2-), сульфидные минералы

рН 1,5-2,0, 70°С, О2рН 1,0-4,5, 75°С, О2

рН 1,7-1,8, 35°С, О2рН 1,0-4,5, 50-75°С, О2

В практике добычи металлов особое внимание уделяется

бактериям Acidithiobacillus ferrooxidans, A. thiooxidans, A. caldus и

Leptospirillum ferrooxidans, которые окисляют Fe2+, S2-, S° и

сульфидные минералы.

В рудах и концентратах присутствуют умеренно- и облигатно-

термофильные микроорганизмы Acidianus brierleyi, Metallosphaera

sedula, Sulfolobus metallicum, которые существуют в области

температур от 20 до 80 °С.

Представляют интерес ацидофильные гетеротрофные бактерии

Acidiphilium cryptum, Ac. angustum, Ac. rubrum и Ac.facilis, которые

способствуют выщелачиванию металлов хемолитотрофными

бактериями.

Микроорганизмы,

используемые в биогидрометаллургии

Физико-химические основы выщелачивания металлов из руд

Основными физико-химическими факторами при кучном, подземном и чановом

выщелачивании меди, цинка, никеля, урана являются pH, Eh, температура, наличие

кислорода, ионов сернокислого оксидного железа (Fe3+) и т.д.

Данные факторы в определенной степени определяются типом руды, степенью ее

окисления и проницаемостью, а следовательно, и характером складирования,

габаритами отвалов, способом подготовки руды или рудного тела к выщелачиванию

на месте залегания и т.д.

От совокупности благоприятных факторов (pH 1,2 —2,0; Eh 700 мВ, и др.)

зависит активность сообщества бактерий, окисляющих сернокислое закисное железо

(Fe'+), серу (S°, S +) и сульфидные минералы.

Пример: Химические реакции, которые происходят в процессе бактериального

окисления пирита:

Физико-химические основы выщелачивания металлов из руд

Бактерии воздействуют на минерал, будучи в контакте с ним и экзометаболитами,

создавая его электродный потенциал, заряд, и тем самым ускоряя

биоэлектрохимическое окисление минерала. Пирит в этой паре занимает позицию

катода, а халькопирит — анода, имея более низкий окислительно-

восста¬новительный потенциал. Образующиеся продукты этой реакции (Fe2+, S° и

др.) окисляются бактериями до конечных продуктов:

Механизм бактериального окисления Fe2+ S2-/S0

и сульфидных минералов

Стадии бактериального окисления субстратов:1) Взаимодействие поверхностных структур бактерий с окисляемым

субстратом (сорбция, адгезия)2) Изменение физико-химических свойств окисляемых субстратов, их

транспорт в клетку3) Окисление субстратов в поверхностных структурах клеток4) Транспорт электронов и протонов, создание мембранного потенциала5) Синтез АТФ и образование воды на внутренней поверхности ЦПМ

Бактерии, благодаря сорбции клеток и действию экзометаболитов наминералы, изменяют их электродный потенциал, заряд, повышаютэлектропроводность среды, создают высокий окислительно-восстановительный потенциал среды, создают разность потенциалов.

Бактерии, будучи в контакте с субстратом, изменяют его физико-химические свойства. Например, элементарная сера растворяется ввеществах липидной природы до коллоидного состояния и поступает впериплазматическое пространство, где окисляется. Ведущую роль впроцессах взаимодействия играет не строение клеточной стенки, а еёбиохимические особенности.

Окисление Fe2+ бактериями Acidithiobacillus ferrooxidans связано с еготранспортом в периплазматическое пространство клетки, вероятнее всего, вкомплексе с липополисахаридами, и функционированиемэлектронтранспортной системы.

1. Порин наружной мембраны (92 кДа)

2. Fe2+ - оксидаза, связанная с цитохромом с552, расположенным впериплазматическом пространстве (6 кДа)

3. Малый медьсодержащий белок (16 кДа) – рустицианин

4. Терминальная цитохром с-оксидаза (аа3-тип, 84 кДа)

У лептоспирилл отсутствует рустицианин, но есть растворимый красныйцитохром.

Сведения об электронтранспортной системе Leptospirillum ferrooxidansнемногочисленны.

Железоокисляющая система Acidithiobacillus ferrooxidans

Железоокисляющая система Acidithiobacillus ferrooxidans

Окисление серы и сульфидных металлов

У Acidithiobacillus ferrooxidans открыты ферменты серо-(сульфид)-Fe3+-оксидоредуктаза (S0 + 4Fe3+ + 3H2O → H2SO3 + 4Fe 2+ + 4H+) и сульфит-Fe2+-оксидоредуктаза (H2SO3 + 2Fe3+ + 4H2O → H2SO4 + 2Fe 2+ + 2H+).

При выращивании на среде, содержащей серу, у данных микроорганизмовобнаружена сульфит-цитохром с-оксидоредуктаза. У Acidithiobacillusthiooxidans, окисляющего только соединения серы, найденамембрансвязанная сульфитоксидаза (400 кДа), сходная с сульфит- Fe3+-оксидоредуктазой Acidithiobacillus ferrooxidans (650 кДа). Цитохромы b иаа3 являются частью сероокисляющей системы Acidithiobacillusferrooxidans, в окислении серы данной бактерией принимают участиетерминальные оксидазы (ингибирование процесса CN-).

У Leptospirillum ferrooxidans и грамположительных умереннотермофильных бактерий обнаружена серо-(сульфид)-Fe3+-оксидоредуктаза.Однако активность данного фермента низкая, а Fe2+-окисляющаяактивность намного чувствительнее к ингибированию сульфитом, чем уAcidithiobacillus ferrooxidans.

Клетки Acidithiobacillus ferrooxidans при росте на сере содержали S0-диоксигеназу, тиосульфатдегидрогеназу, роданазу, аденозин-5'-фосфосульфат (АФС)-редуктазу и сульфитоксигеназу. У сульфобацилл приросте на сере обнаружены аналогичные ферменты.

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Размеры частиц и плотность пульпы.Размеры частиц руды определяют площадь их поверхности, от которойзависит адгезия бактерий и скорость окислительных процессов.Наибольшая скорость окисления сульфидов в пульпе Acidithiobacillusferrooxidans при чановом выщелачивании наблюдается при размерахчастиц 2-3 до 40 мкм, однако в промышленных условиях обычноиспользуются частицы флотационного концентрата размером 74 мкм.Изменение размера частиц от 150 до 29,5 мкм ускоряло окисление FeS2Sulfolobus metallicum от 0,05 до 0,098 кг×м-3×ч-1. Частицы менее 0,2мкм повреждали структуру клетки, и сульфид не окислялся.

Микроорганизмы как биосорбенты металлов

Микроорганизм Процесс осаждения металлов

Микроскопические грибы, дрожжи, бактерии, водоросли

Биосорбция: радиоактивные U, Ra, и другие элементы - Al, Mo, Ag, Cu, Cd, Cr, Mn, Co, Ni, Zn, Hg, Pb, Au, Pt, Pd

Хитин и хитозан Сорбция Zr, Hf, Ru из воды, циркулирующей в системе охлаждения ядерного реактора

Сульфатвосстанавливающиебактерии

Осаждение металлов из растворов:Сорг + SO4

2- → S2- + CO2S2- + Me → MeS

Хромвосстанавливающиебактерии

Восстановление металлов Cr6+ → Cr3+

Многие микроорганизмы способны либо сорбировать металлы, либо ихосаждать.

Метод осаждения металлов сульфатредуцирующими бактериямизаключается в образовании ими Н2S, который осаждает металлы израстворов практически полностью (из растворов, содержащих 8,6 г/л Cu,извлечение металла составляет 98,5%). В промышленном масштабеданный процесс испытан с положительным эффектом на одном изрудников бывшего СССР.

Микроорганизмы как биосорбенты металлов

Метод биосорбции металлов из растворов известен давно.С помощью микроорганизмов извлекается из разбавленных растворов

до 100% Pb, Hg, Zn, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, U.Микроскопические грибы позволяют извлечь из растворов аффинажа

золота и серебра до 96-98% Au и Ag, до 84% Pt и 92% Pd. С помощьюбактерий (смешанная культура) из стоков в анаэробных условиях былоудалено 81% U и 93% Se.

Для биосорбции металлов из растворов также эффективны водоросли, адля очистки растворов от радиоактивных элементов Cu и Cd –бактериальные полисахариды.

При сорбции металлов из растворов они накапливаются в биомассе (Ag– 30%, U – 15% от сухой биомассы).

Механизм сорбции металлов связан с клеточной стенкой (длямикроскопических грибов особую роль играют хитин и хитозан).

Процесс адсорбции металла на поверхности микроорганизмоввключает связывание его с клеточной стенкой, цитоплазматическоймембраной, а также веществами капсул и внеклеточных веществ.Взаимодействие связано, главным образом, с отрицательным зарядом этихповерхностных структур. Участками связывания металла в клеточнойстенке могут быть молекулы белков (ртуть у дрожжей), карбоксильныегруппы пептидогликанов (двухвалентные катионы у бацилл), фосфатныегруппы (уран у дрожжей). Аналогичные группы взаимодействуют сметаллами и в составе цитоплазматической мембраны.

Распределение аккумулированных тяжелых металлов зависит от видамикроорганизма и самого металла.

Ртуть, кадмий, серебро, уран сорбируются в основном бактериями игрибами на поверхности клеток, лишь частично проникая внутрь.

Ионы меди, цинка, никеля, кобальта, марганца чаще транспортируютсяв клетку.

Водоросли накапливают кадмий, уран и свинец в основном внутриклеток.

Ртуть аккумулируется как на поверхности, так и внутри клеток.Свинец, в виде фосфата адсорбируется у Citrobacter sp. на поверхности

клеток.

Процесс аккумуляции тяжелых металлов во времени может протекатьпо-разному. В одних случаях его скорость составляет секунды с моментаконтакта клеток с тяжелым металлом, в других протекает до несколькихчасов. Время связывания зависит, главным образом, от механизма этогопроцесса. Быстрая аккумуляция характерна для адсорбционныхпроцессов, длительная - зависит от активного транспорта внутрь клеток.

Установлено, что клетки разных микроорганизмов могутаккумулировать тяжелые металлы в количествах превышающих ихпотребности в клетках как компонентах питательной среды.Накапливаются и металлы, которые не используются в метаболизме.

Микроорганизмы как биосорбенты металлов